Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

WO2024172684A1 - Intelligent solar cell-based power supply device - Google Patents

Intelligent solar cell-based power supply device Download PDF

Info

Publication number
WO2024172684A1
WO2024172684A1 PCT/RU2023/000043 RU2023000043W WO2024172684A1 WO 2024172684 A1 WO2024172684 A1 WO 2024172684A1 RU 2023000043 W RU2023000043 W RU 2023000043W WO 2024172684 A1 WO2024172684 A1 WO 2024172684A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
unit
voltage
current
converter
load
Prior art date
Application number
PCT/RU2023/000043
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Николаевич КУШНЕРЁВ
Ирина Александровна КУШНЕРЁВА
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "СОЛНЕЧНЫЙ МИР"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "СОЛНЕЧНЫЙ МИР" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "СОЛНЕЧНЫЙ МИР"
Publication of WO2024172684A1 publication Critical patent/WO2024172684A1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/66Regulating electric power
    • G05F1/67Regulating electric power to the maximum power available from a generator, e.g. from solar cell
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/042PV modules or arrays of single PV cells
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02SGENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/30Electrical components

Definitions

  • the solution relates to conversion technology and can be used for efficient power extraction from solar panels, conversion and transmission of the received energy to the industrial network and consumer load, it is also possible to charge batteries and supercapacitors with energy received from the network with further conversion, if necessary, into alternating voltage of industrial frequency to provide the consumer load with guaranteed uninterruptible power supply.
  • a solar-powered device comprising a solar module, a first DC-DC converter, a battery, a second DC-DC converter, a controller and a load.
  • a power plant contains solar cell batteries, energy storage devices, a DC/DC voltage converter, a DC/AC voltage converter, and circuit breakers (Patent of the Russian Federation Invention No. 2397593 “Power plant and method for its control”, IPC H02J 7/35, H01L 31/00, 20.08.2010).
  • a device and method for tracking the maximum power point for an inverter using solar panels consisting of solar panels, an inverter, a system controller and a load.
  • Patent US 7158395 B2 “Method and apparatus for tracking maximum power point for inverters, for example, in photovoltaic applications", IPC H02M 7/44, 02.01.2007).
  • the closest in technical essence to the claimed solution is a guaranteed power supply device based on renewable energy sources (RU207387U1, 10/26/2021).
  • This patent tracks all zones on the I-V characteristic in case partial shading occurs and a power peak appears "on the left" on the I-V characteristic.
  • energy is taken from the SP using the classical method. For example, there is a step-up converter that takes current from the panel so that the product of current and voltage from the panel has a maximum value. This is an analogue of a rheostat, when the position of the handle (resistance) of the rheostat is selected at which the maximum energy comes from the SP.
  • the disadvantage of this device is the tracking of several local zones on the VAC of the panel block and its drift with changes in temperature and changes in illumination, as well as tracking the appearance of the point of maximum power during partial shading and power extraction at this point using the classical method, as a result - inefficient power extraction from the solar panel block.
  • the technical problem of the declared solution is to increase the efficiency of the device consisting of a block of solar panels (SP) and a converter, tracking the true point of maximum power under real operating conditions; transmitting the received energy to the network and load, as well as the charge of the energy storage device from the solar panel unit and from the grid.
  • SP solar panels
  • the efficiency (efficiency) of power take-off from the solar panel unit increases, and the reliability of power supply to the consumer of electricity increases.
  • the technical result achieved by using the proposed device is an increase in the energy received from the solar panel unit.
  • an additional increase in the reliability of the guaranteed power supply of the consumer is ensured, which occurs, among other things, due to the use of energy storage devices that receive energy from solar panels and the grid according to a given algorithm, and in the event of a loss of grid voltage, a decrease in the energy received from the solar panels, they ensure uninterruptible power supply to the consumer, due to mixing energy from the storage device with the energy received from the solar panels on the common DC bus, with subsequent conversion to alternating voltage and power supply to the consumer's load.
  • the power supply device based on solar batteries consists of a solar panel unit, a solar panel unit current and voltage sensor unit, a DC/DC voltage converter, a DC bus, an inverter, a unit of current and voltage sensors at the converter output, a DC/DC voltage converter control unit, an inverter control unit, a control and switching microcontroller, a unit of DC bus current and voltage sensors, an LC filter and a radio interference filter, a unit of current and voltage sensors on the load, and a voltage pulse unit installed between the solar panel and the DC/DC voltage converter is additionally introduced into the device.
  • the DC/DC voltage converter control unit is designed with an additional function for controlling the voltage pulse unit.
  • Fig.1 Structural diagram of the power supply device
  • Fig.2 Family of volt-ampere characteristics of a solar panel depending on temperature and changes in uniform illumination of the panel;
  • Fig.6 Diagram of possible serial (a) and parallel (b) connection of solar panels.
  • An intelligent power supply device based on solar batteries consists of a solar panel unit, a voltage pulse unit, a solar panel unit current and voltage sensor unit, a DC/DC voltage converter, a DC bus, a DC bus current and voltage sensor unit, a reversible inverter, an LC filter, a converter output current and voltage sensor unit, a radio interference filter, a load current and voltage sensor unit, a load, a controlled network switch, a network current and voltage sensor unit, a network, a control unit for the DC/DC voltage converter and a voltage pulse unit, a unit control of a reversible inverter, microprocessor control and switching unit.
  • the device may additionally contain a battery (AB) and a bidirectional DCZDC converter
  • Fig. 1 shows a structural diagram of an intelligent guaranteed power supply device.
  • the diagram shows: solar panel unit (1), solar panel unit current and voltage sensor unit (2), DC/DC voltage converter (3), DC bus (4), current and voltage sensor unit
  • the device works as follows.
  • the voltage and current from the solar panel unit (1) through the voltage pulse unit (22) and the solar panel current and voltage sensor unit (2) is fed to the DC/DC voltage converter (3).
  • Information about The voltage and current from the solar panels is fed to the control unit of the DC/DC voltage converter and the voltage pulse unit (15), in accordance with the specified algorithm, the unit generates control signals for the operation of the DC/DC converter and the voltage pulse unit, as a result of which the maximum possible power is taken from the solar panels at a given temperature and illumination.
  • the received electric power is fed to the DC bus (4).
  • the voltage and current are fed to the reversible inverter (6), which in the direct conversion mode converts direct voltage and current into alternating voltage and current, for example, using pulse-width modulation.
  • the power PWM signal is fed to the input of the LC filter (7), after which the filtered low-frequency signal of the network is fed to the input of the current and voltage sensor unit at the converter output (8).
  • the signal is fed to the input of the radio interference filter (9).
  • the output current and voltage are fed to the load (11) through the current and voltage sensor unit on the load (10), and also to the network (14) through the controlled network switch (12) and the current and voltage sensor unit of the network (13).
  • the reversible inverter is controlled by the reversible inverter control unit (16), which receives information about the current and voltage on the DC bus, as well as at the converter output.
  • the complete operation of the device is controlled by the microprocessor control and switching unit (17), which receives information from the DC/DC voltage converter control unit and the voltage pulse unit (15), the inverter control unit (16), from the current and voltage sensor units at the converter output, on the load and the network.
  • the voltage pulse unit (22) regularly applies voltage pulses to the SP, as if "pulls" additional electrons from the SP, which with all conventional classical methods of power extraction do not reach the conductor and recombine with holes in the SP itself. As a result, we receive more energy from the SP than with any classical methods of power extraction.
  • the system may include a storage battery (19) and a bidirectional DC/DC voltage converter unit for charging/discharging the storage battery (18).
  • the system may contain a supercapacitor unit (SCU) (21) and a bidirectional DC/DC voltage converter for charging/discharging the supercapacitor unit (20).
  • SCU supercapacitor unit
  • DC/DC voltage converter for charging/discharging the supercapacitor unit (20).
  • the guaranteed power supply system When introduced into the AB, BSC system, the guaranteed power supply system contains an AB, BSC control unit (23).
  • the power supply device can act as a source of microgeneration of energy received from renewable energy sources into the network; as a source of power from renewable energy sources for the consumer's load; as a guaranteed source of power supply for the consumer in the event of a power failure from the network.
  • the energy from the solar panels is taken at the point of maximum power, taking into account the reduction of parasitic recombination, and is converted into alternating voltage of the grid. Then the microcontroller analyzes the current and voltage on the load and the grid. If the energy received from the solar panels is sufficient to power the load, the converter disconnects the grid from the load and power is supplied only from the solar panels. If the load consumes less than the solar panel unit (SPU) generates, the converter directs part of the energy received from the SPU to the load and part to the grid. If the energy consumed by the load exceeds the energy generated by the SPU, the converter gives all the energy received from the SPU to the load and consumes the missing energy for the load from the grid. In the absence of a load, all the energy received from the SPU goes to the grid.
  • SPU solar panel unit
  • the general operating algorithm described above does not change, but additional operating options for the system appear. If there is energy from the battery-balanced synchronization unit and it is partially spent on the load, the remaining energy goes to charging the battery and/or battery-balanced synchronization unit. After they are fully charged, the energy goes to the grid. If the grid voltage disappears, the control and switching microcontroller disconnects the grid from the system and the load, and the consumer load is powered from the battery-balanced synchronization unit.
  • the stored energy from the battery and/or battery-balanced synchronization unit is supplied to the DC bus, which is then converted into alternating voltage of industrial frequency to power the consumer load. If the energy received from the battery-balanced synchronization unit is insufficient for the load and maintaining the battery and/or battery-balanced synchronization unit in a charged state for a certain period of time, then according to the specified algorithm (for example, at night), the inverter operates in the reverse mode - charging the DC bus from the industrial grid, and then the voltage converters charge the battery and battery-balanced synchronization unit to a specified level.
  • the specified algorithm for example, at night
  • Fig. 2 shows a family of volt-ampere characteristics of the solar panel depending on the temperature and changes in the uniform illumination of the panel.
  • the volt-ampere characteristic (VAC) has a classic appearance: at the initial stage, there is a linear increase in power with an increase in voltage, then an extremum is reached, after which there is a decrease in the received power with an increase in voltage on the solar panel.
  • VAC volt-ampere characteristic
  • the voltage at the maximum power point decreases.
  • the extremum of the power function on the I-V characteristic shifts down and to the left.
  • the voltage increases at the extremum point the maximum power point shifts up and to the right on the I-V characteristic.
  • the current at the maximum power point decreases, and the power extremum shifts down.
  • the current increases, therefore, the maximum power point shifts up.
  • Fig. 3 The voltage and current on the solar panel unit (SPU) are measured. The power P0 is calculated. Then the output voltage of the SPU is changed by controlling the converter (positive voltage increment). The current and voltage are measured. As a result, the power point P1 appears. P1 and P0 are compared, if P1 is greater, then the voltage increment remains and then the next step occurs. The voltage on the panel unit increases. The current is measured. The power P2 is calculated. Then also P3 and P4. If the new power is lower than the previous one, then the sign of the increment changes.
  • the increment step is not constant, but changes, depending on approaching the extremum. The step decreases in the extremum region to reduce pulsations of the power removed from the solar panel unit.
  • the classical algorithm for finding the maximum power point tracks how the extremum drifts along the I-V characteristic of the solar panel in a given area.
  • the efficiency of modern industrially produced solar panels, from which energy is collected using the classical (“rheostat”) method, is in the range of 18-23%. That is, from 1 kW of solar photon energy on an equivalent rheostat load there will be 180-230 W of electricity.
  • the remaining energy received from solar radiation is lost in the semiconductor.
  • the main processes leading to low efficiency of the semiconductor include: reflection of part of the radiation from the surface of the semiconductor, inactive absorption of light quanta, parasitic recombination of nonequilibrium carriers, etc.
  • Fig. 4 Let us consider the operation of the SC in a simplified form, see Fig. 4.
  • Fig. 4 light falls on the SC and passes to the n, p regions and the depletion region. In the depletion region, the energy of the photons is transferred to the electron-hole pair. They are separated. Due to the presence of the internal field, the electrons move upward through the n region to the conductor, and then to the load. After the load, the electrons return to the SC through the conductor from the p region and recombine with the holes.
  • the energy of photons is converted into electrical energy.
  • a pulse voltage unit between the SC and the load.
  • the purpose of which is to apply positive potential to the n region and negative potential to the p region of the SC by short pulses of a certain amplitude, frequency, burstiness, duration, with certain growth and decline fronts. This is done in order to give the electrons and holes that have received energy from photons an additional impulse when moving from the depleted region to the conductor.
  • the probability of parasitic recombination decreases, the number of electrons reaching the conductor and the load increases, and, consequently, the amount of energy received from the solar panel and the efficiency of the SC-converter system increase.
  • the voltage pulses have a duration of a few microseconds or less, so the energy consumption for their creation is an order of magnitude less than the energy of electrons, which do not lose it during parasitic recombination and are supplied to the load. Also, for the positive polarity of the voltage pulse applied to the n region of the SP, the p-n junction of the SP is equivalent to a closed diode.
  • this principle figuratively corresponds to the operation of a field-effect transistor, when we use the electric field of the gate, practically without wasting current, we control the opening of the channel and the passage of power current through the p-n junctions of the field-effect transistor.
  • Fig. 5 shows solar panel SP1, storage capacitor C1, step-up voltage converter consisting of capacitors C2, choke L1, diode D1, switch K1, pulse source consisting of transformer Tr1, capacitor C3, switch K2, power source U1 and common control device UU 1.
  • the control device UU1 generates control signals for the keys K1 and K2.
  • a current pulse passes through the primary winding 1 of the transformer Tr1.
  • a pulse is generated on the secondary winding of the transformer Tr1
  • Transformer Tr1 can be made either with or without a ferromagnetic core.
  • Fig. 6 shows a diagram of a possible series (a) and parallel (b) connection of solar panels using an example of two panels.
  • diodes are connected in parallel to the solar panels, which serve to bypass the current during partial shading of the solar panels in the panel block.
  • chokes L2-L4 are installed in series with each of the diodes (D2-D4). These chokes have virtually no resistance to direct current, and during partial shading, direct current passes through the diodes.
  • chokes D2-D4 have a high wave resistance and do not shunt these pulses.
  • the claimed solution allows to increase the amount of energy received from the solar panel array under real operating conditions. This is of primary importance both for autonomous power supply systems without a network and for systems with a network, since it ultimately affects the amount of energy received from solar panels.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)

Abstract

The utility model relates to conversion technology, and can be used for efficiently extracting power from solar panels and converting and transmitting the energy obtained to a commercial network and to a consumer load. A solar cell-based power supply device consists of the following interconnected components: a unit of solar panels, a unit of current and voltage sensors for the unit of solar panels, a DC/DC voltage converter, a DC bus, an inverter, a unit of converter output current and voltage sensors, a DC/DC voltage converter control unit, an inverter control unit, a microcontroller for control and switching, a unit of DC bus current and voltage sensors, an LC filter and an RFI filter, and a unit of load current and voltage sensors, wherein the device further includes a voltage pulse unit mounted between a solar panel and the DC/DC voltage converter. The technical result of the proposed device is an increase in the energy obtained from the unit of solar panels.

Description

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ НАINTELLIGENT POWER SUPPLY DEVICE
ОСНОВЕ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ THE BASIS OF SOLAR BATTERIES
Область техники, к которой относится решение The field of technology to which the solution relates
Решение относится к преобразовательной технике и может использоваться для эффективного отбора мощности с солнечных панелей, преобразования и передачи полученной энергии в промышленную сеть и нагрузку потребителя, также возможна зарядка энергией, полученной от сети, аккумуляторных батарей и суперконденсаторов с дальнейшим преобразованием при необходимости в переменное напряжение промышленной частоты для обеспечения нагрузки потребителя гарантированным бесперебойным электропитанием. The solution relates to conversion technology and can be used for efficient power extraction from solar panels, conversion and transmission of the received energy to the industrial network and consumer load, it is also possible to charge batteries and supercapacitors with energy received from the network with further conversion, if necessary, into alternating voltage of industrial frequency to provide the consumer load with guaranteed uninterruptible power supply.
Уровень техники State of the art
Известно устройство на солнечных батареях, содержащее солнечный модуль, первый DC-DC преобразователь, аккумуляторную батарею, второй DC-DC преобразователь, контроллер и нагрузку. (Патент РФ на изобретение №2503120 «Устройство на солнечных батареях», МПК Н02М 3/156, 27.12.2013). A solar-powered device is known, comprising a solar module, a first DC-DC converter, a battery, a second DC-DC converter, a controller and a load. (Patent of the Russian Federation for invention No. 2503120 "Solar-powered device", IPC H02M 3/156, 12/27/2013).
Недостатками данного устройства являются: The disadvantages of this device are:
1. Отслеживание точки максимальной мощности при равномерной освещенности одним из классических методов; 1. Tracking the maximum power point under uniform illumination using one of the classical methods;
2. Отсутствие связи с промышленной сетью с целью обеспечить заряд аккумуляторной батареи при плохих погодных условиях, отсутствие возможности отдавать энергию в сеть. 2. Lack of connection to the industrial network to ensure battery charging in bad weather conditions, lack of ability to supply energy to the network.
Известна энергоустановка, содержащая батареи солнечных элементов, накопители энергии, DC/DC преобразователь напряжения, DC/AC преобразователь напряжения, автоматические выключатели (Патент РФ на изобретение №2397593 «Энергоустановка и способ её управления», МПК H02J 7/35, H01L 31/00, 20.08.2010). A power plant is known that contains solar cell batteries, energy storage devices, a DC/DC voltage converter, a DC/AC voltage converter, and circuit breakers (Patent of the Russian Federation Invention No. 2397593 “Power plant and method for its control”, IPC H02J 7/35, H01L 31/00, 20.08.2010).
Недостатками данного устройства являются: The disadvantages of this device are:
1. Отсутствие возможности отдавать энергию, получаемую с солнечных панелей, в промышленную сеть; 1. The inability to transfer energy obtained from solar panels to the industrial network;
2. Отслеживание точки максимальной мощности при равномерной освещенности одним из классических методов. 2. Tracking the maximum power point under uniform illumination using one of the classical methods.
Известно устройство и метод отслеживания точки максимальной мощности для инвертора при использовании солнечных панелей, состоящее из солнечных панелей, инвертора, системного контроллера и нагрузки. (Патент US 7158395 В2 «Method and apparatus for tracking maximum power point for inverters, for example, in photovoltaic applications», МПК H02M 7/44, 02.01.2007). A device and method for tracking the maximum power point for an inverter using solar panels are known, consisting of solar panels, an inverter, a system controller and a load. (Patent US 7158395 B2 "Method and apparatus for tracking maximum power point for inverters, for example, in photovoltaic applications", IPC H02M 7/44, 02.01.2007).
Недостатками данного устройства являются: The disadvantages of this device are:
1. Отслеживание классического максимума на ВАХ блока панелей и его дрейфа при изменении температуры и равномерном изменении освещенности, как следствие - неэффективный отбор мощности с блока солнечных панелей; 1. Tracking the classic maximum on the I-V characteristic of a block of panels and its drift with changes in temperature and uniform changes in illumination, as a result - inefficient power extraction from a block of solar panels;
2. Не возможность использовать данное устройство как резервный источник питания при исчезновении напряжения сети. 2. It is not possible to use this device as a backup power source in the event of a power failure.
Также известна система преобразования энергии с отслеживанием точки максимальной мощности, состоящая из блока отслеживания точки максимальной мощности (МРРТ), шины постоянного тока, преобразователя мощности, контроллера преобразователя. (Патент US 20130027997 А1 «Maximum power point tracking for power conversion system and method thereof», МПК Н02М 7/44, 31.01.2013). Also known is a power conversion system with maximum power point tracking, consisting of a maximum power point tracking unit (MPPT), a DC bus, a power converter, and a converter controller. (Patent US 20130027997 A1 "Maximum power point tracking for power conversion system and method thereof", IPC H02M 7/44, 31.01.2013).
Недостатками данного устройства являются: The disadvantages of this device are:
1. Отслеживание классического максимума на ВАХ блока панелей и его дрейфа при изменении температуры и равномерном изменении освещенности, вследствие чего - недобор мощности с блока солнечных панелей; 1. Tracking the classic maximum on the VAC of a block of panels and its drift with temperature changes and uniform changes illumination, resulting in a shortage of power from the solar panel unit;
2. Отсутствие накопителя энергии (аккумуляторной батареи или суперконденсатора), а, следовательно, невозможность питать нагрузку данной системой при пропадании напряжения сети или при низкой выработке энергии солнечными панелями. 2. The absence of an energy storage device (battery or supercapacitor), and, consequently, the impossibility of powering the load with this system in the event of a power failure or low energy production by solar panels.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является устройство гарантированного электропитания на основе возобновляемых источников энергии (RU207387U1, 26.10.2021). В данном патенте отслеживаются все зоны на ВАХ на тот случай, если произошло частичное затенение и «слева» на ВАХ появился пик мощности. При нахождении данной точки идет отбор энергии с СП классическим методом. Например, стоит повышающий преобразователь, который отбирает ток с панели так, чтобы произведение тока и напряжения с панели имели максимальное значение. Это аналог реостата, когда подбирается положение ручки (сопротивления) реостата, при котором с СП идет максимальная энергия. The closest in technical essence to the claimed solution is a guaranteed power supply device based on renewable energy sources (RU207387U1, 10/26/2021). This patent tracks all zones on the I-V characteristic in case partial shading occurs and a power peak appears "on the left" on the I-V characteristic. When this point is found, energy is taken from the SP using the classical method. For example, there is a step-up converter that takes current from the panel so that the product of current and voltage from the panel has a maximum value. This is an analogue of a rheostat, when the position of the handle (resistance) of the rheostat is selected at which the maximum energy comes from the SP.
Недостатком данного устройства является отслеживание нескольких локальных зон на ВАХ блока панелей и его дрейфа при изменении температуры и изменении освещенности, а также отслеживание появления точки максимальной мощности при частичном затенении и отбор мощности в этой точке классическим методом, как следствие - неэффективный отбор мощности с блока солнечных панелей. The disadvantage of this device is the tracking of several local zones on the VAC of the panel block and its drift with changes in temperature and changes in illumination, as well as tracking the appearance of the point of maximum power during partial shading and power extraction at this point using the classical method, as a result - inefficient power extraction from the solar panel block.
Раскрытие решения Solution Disclosure
Технической проблемой заявленного решения является увеличение КПД устройства состоящего из блока солнечных панелей (СП) и преобразователя, отслеживание истинной точки максимальной мощности при реальных условиях эксплуатации; транслирование полученной энергии в сеть и нагрузку, а также заряд накопителя электроэнергии от блока солнечных панелей и от сети. В результате чего повышается эффективность (КПД) отбора мощности с блока солнечных панелей, повышается надежность обеспечения электропитанием потребителя электроэнергии. The technical problem of the declared solution is to increase the efficiency of the device consisting of a block of solar panels (SP) and a converter, tracking the true point of maximum power under real operating conditions; transmitting the received energy to the network and load, as well as the charge of the energy storage device from the solar panel unit and from the grid. As a result, the efficiency (efficiency) of power take-off from the solar panel unit increases, and the reliability of power supply to the consumer of electricity increases.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предложенного устройства, является увеличение получаемой от блока солнечных панелей энергии. The technical result achieved by using the proposed device is an increase in the energy received from the solar panel unit.
Повышение гибкости и функциональности энергосистемы потребителя, построенной на данном преобразователе. Increasing the flexibility and functionality of the consumer's energy system built on this converter.
Также дополнительно обеспечивается увеличение надежности гарантированного электропитания потребителя, которое происходит, в том числе, за счет использования накопителей энергии, которые получают по заданному алгоритму энергию от солнечных панелей и сети, а при пропадании напряжения сети, уменьшении получаемой энергии от солнечных панелей - обеспечивают бесперебойное питание потребителя, за счет подмешивания энергии с накопителя к энергии, получаемой от солнечных панелей на общей шине постоянного тока, с дальнейшим преобразованием в переменное напряжение и питанием нагрузки потребителя. Also, an additional increase in the reliability of the guaranteed power supply of the consumer is ensured, which occurs, among other things, due to the use of energy storage devices that receive energy from solar panels and the grid according to a given algorithm, and in the event of a loss of grid voltage, a decrease in the energy received from the solar panels, they ensure uninterruptible power supply to the consumer, due to mixing energy from the storage device with the energy received from the solar panels on the common DC bus, with subsequent conversion to alternating voltage and power supply to the consumer's load.
Техническая проблема решается и технический результат достигается за счет того, что устройство электропитания на основе солнечных батарей состоит из блока солнечных панелей, блока датчиков тока и напряжения блока солнечных панелей, DC/DC преобразователя напряжения, шины постоянного тока, инвертора, блока датчиков тока и напряжения на выходе преобразователя, блока управления DC/DC преобразователем напряжения, блока управления инвертором, микроконтроллера управления и коммутации, блока датчиков тока и напряжения шины постоянного тока, LC-фильтра и фильтра радиопомех, блока датчиков тока и напряжения на нагрузке, причем в устройство дополнительно введен блок импульсов напряжения, установленный между солнечной панелью и DC/DC преобразователем напряжения. Кроме того, блок управления DC/DC преобразователем напряжения выполнен с дополнительной функцией управления блоком импульсов напряжения. The technical problem is solved and the technical result is achieved due to the fact that the power supply device based on solar batteries consists of a solar panel unit, a solar panel unit current and voltage sensor unit, a DC/DC voltage converter, a DC bus, an inverter, a unit of current and voltage sensors at the converter output, a DC/DC voltage converter control unit, an inverter control unit, a control and switching microcontroller, a unit of DC bus current and voltage sensors, an LC filter and a radio interference filter, a unit of current and voltage sensors on the load, and a voltage pulse unit installed between the solar panel and the DC/DC voltage converter is additionally introduced into the device. In addition, the DC/DC voltage converter control unit is designed with an additional function for controlling the voltage pulse unit.
Краткое описание чертежей Brief description of the drawings
Фиг.1 - Структурная схема устройства электропитания; Fig.1 - Structural diagram of the power supply device;
Фиг.2 - Семейство вольтамперных характеристик солнечной панели в зависимости от температуры и изменения равномерной освещённости панели; Fig.2 - Family of volt-ampere characteristics of a solar panel depending on temperature and changes in uniform illumination of the panel;
Фиг.З - Суть метода возмущения и наблюдения при отслеживании точки максимальной мощности; Fig.3 - The essence of the perturbation and observation method when tracking the maximum power point;
Фиг.4 - Схема работы солнечной панели в упрощенном виде; Fig.4 - Simplified diagram of the solar panel operation;
Фиг.5 - Один из возможных вариантов реализации; Fig.5 - One of the possible implementation options;
Фиг.6 - Схема возможного последовательного (а) и параллельного (б) соединения солнечных панелей. Fig.6 - Diagram of possible serial (a) and parallel (b) connection of solar panels.
Осуществление решения Implementation of the solution
Интеллектуальное устройство электропитания на основе солнечных батарей состоит из соединенных между собой сборочными операциями, находящихся в функционально-конструктивном единстве, блока солнечных панелей, блока импульсов напряжения, блока датчиков тока и напряжения блока солнечных панелей, DC/DC преобразователя напряжения, шины постоянного тока, блока датчиков тока и напряжения шины постоянного тока, обратимого инвертора, LC-фильтра, блока датчиков тока и напряжения на выходе преобразователя, фильтра радиопомех, блока датчиков тока и напряжения на нагрузке, нагрузки, управляемого коммутатора сети, блока датчиков тока и напряжения сети, сети, блока управления DC/DC преобразователем напряжения и блоком импульсов напряжения, блока управления обратимым инвертором, микропроцессорного блока управления и коммутации. An intelligent power supply device based on solar batteries consists of a solar panel unit, a voltage pulse unit, a solar panel unit current and voltage sensor unit, a DC/DC voltage converter, a DC bus, a DC bus current and voltage sensor unit, a reversible inverter, an LC filter, a converter output current and voltage sensor unit, a radio interference filter, a load current and voltage sensor unit, a load, a controlled network switch, a network current and voltage sensor unit, a network, a control unit for the DC/DC voltage converter and a voltage pulse unit, a unit control of a reversible inverter, microprocessor control and switching unit.
Кроме того, устройство может дополнительно содержать аккумуляторную батарею (АБ) и двунаправленный DCZDC преобразовательIn addition, the device may additionally contain a battery (AB) and a bidirectional DCZDC converter
5 напряжения для заряда/разряда аккумуляторной батареи, блок суперконденсаторов (БСК) и двунаправленный DC/DC преобразователь напряжения для заряда/разряда блока суперконденсаторов, а также блок управления АБ и БСК. 5 voltages for charging/discharging the battery, a supercapacitor block (SCB) and a bidirectional DC/DC voltage converter for charging/discharging the supercapacitor block, as well as a control unit for the battery and SCB.
Заявленное решение поясняется графическими материалами, где на фиг.1 представлена структурная схема интеллектуального устройства гарантированного электропитания. The claimed solution is explained by graphic materials, where Fig. 1 shows a structural diagram of an intelligent guaranteed power supply device.
На схеме показано: блок солнечных панелей (1), блок датчиков тока и напряжения блока солнечных панелей (2), DC/DC преобразователь напряжения (3), шина постоянного тока (4), блок датчиков тока и напряженияThe diagram shows: solar panel unit (1), solar panel unit current and voltage sensor unit (2), DC/DC voltage converter (3), DC bus (4), current and voltage sensor unit
15 шины постоянного тока (5), обратимый инвертор (6), LC-фильтр (7), блок датчиков тока и напряжения на выходе преобразователя (8), фильтр радиопомех (9), блок датчиков тока и напряжения на нагрузке (10), нагрузка (И), управляемый коммутатор сети (12), блок датчиков тока и напряжения сети (13), сеть (14), блока управления DC/DC преобразователем напряжения и15 DC buses (5), reversible inverter (6), LC filter (7), current and voltage sensor unit at the converter output (8), radio interference filter (9), current and voltage sensor unit at the load (10), load (I), controlled network switch (12), current and voltage sensor unit of the network (13), network (14), DC/DC voltage converter control unit and
20 блоком импульсов напряжения (15), блок управления обратимым инвертором (16), микропроцессорный блок управления и коммутации (17), двунаправленный DC/DC преобразователь напряжения для заряда/разряда аккумуляторной батареи (18), аккумуляторная батарея (АБ) (19), двунаправленный DC/DC преобразователь напряжения для заряда/разряда блока суперконденсаторов (20), блок суперконденсаторов (БСК) (21), блок импульсов напряжения (22), блок управления АБ, БСК (23). 20 voltage pulse unit (15), reversible inverter control unit (16), microprocessor control and switching unit (17), bidirectional DC/DC voltage converter for charging/discharging the storage battery (18), storage battery (SB) (19), bidirectional DC/DC voltage converter for charging/discharging the supercapacitor unit (20), supercapacitor unit (SB) (21), voltage pulse unit (22), SB, SB control unit (23).
Устройство работает следующим образом. The device works as follows.
Напряжение и ток с блока солнечных панелей (1) через блок импульсов напряжения (22) и блок датчиков тока и напряжения с солнечных панелей (2) зо поступает на DC/DC преобразователь напряжения (3). Информация о напряжении и токе с солнечных панелей поступает на блок управления DC/DC преобразователем напряжения и блоком импульсов напряжения (15), в соответствии с заданным алгоритмом, блок формирует управляющие сигналы для работы DC/DC преобразователя и блока импульсов напряжения, в результате чего, с солнечных панелей отбирается максимально возможная мощность при данной температуре и освещённости. Полученная электроэнергия поступает на шину постоянного тока (4). С шины постоянного тока через блок датчиков тока и напряжения шины постоянного тока напряжение и ток поступают на обратимый инвертор (6), который в режиме прямого преобразования преобразует постоянное напряжение и ток в переменные напряжение и ток, например с помощью широтно-импульсной модуляции. Далее силовой ШИМ сигнал поступает на вход LC-фильтра (7), после которого отфильтрованный сигнал низкой частоты сети поступает на вход блока датчиков тока и напряжения на выходе преобразователя (8). После чего сигнал поступает на вход фильтра радиопомех (9). Далее выходной ток и напряжения поступают на нагрузку (11) через блок датчиков тока и напряжения на нагрузке (10), а также в сеть (14) через управляемый коммутатор сети (12) и блок датчиков тока и напряжения сети (13). Управление обратимым инвертором осуществляет блок управления обратимым инвертором (16), к которому поступает информация о токе и напряжении на шине постоянного тока, а также на выходе преобразователя. Управление полной работой устройства осуществляет микропроцессорный блок управления и коммутации (17), к которому поступает информация от блока управления DC/DC преобразователем напряжения и блоком импульсов напряжения (15), блока управления инвертором (16), с блоков датчиков тока и напряжения на выходе преобразователя, на нагрузке и сети. The voltage and current from the solar panel unit (1) through the voltage pulse unit (22) and the solar panel current and voltage sensor unit (2) is fed to the DC/DC voltage converter (3). Information about The voltage and current from the solar panels is fed to the control unit of the DC/DC voltage converter and the voltage pulse unit (15), in accordance with the specified algorithm, the unit generates control signals for the operation of the DC/DC converter and the voltage pulse unit, as a result of which the maximum possible power is taken from the solar panels at a given temperature and illumination. The received electric power is fed to the DC bus (4). From the DC bus through the DC bus current and voltage sensor unit, the voltage and current are fed to the reversible inverter (6), which in the direct conversion mode converts direct voltage and current into alternating voltage and current, for example, using pulse-width modulation. Then the power PWM signal is fed to the input of the LC filter (7), after which the filtered low-frequency signal of the network is fed to the input of the current and voltage sensor unit at the converter output (8). After which the signal is fed to the input of the radio interference filter (9). Then the output current and voltage are fed to the load (11) through the current and voltage sensor unit on the load (10), and also to the network (14) through the controlled network switch (12) and the current and voltage sensor unit of the network (13). The reversible inverter is controlled by the reversible inverter control unit (16), which receives information about the current and voltage on the DC bus, as well as at the converter output. The complete operation of the device is controlled by the microprocessor control and switching unit (17), which receives information from the DC/DC voltage converter control unit and the voltage pulse unit (15), the inverter control unit (16), from the current and voltage sensor units at the converter output, on the load and the network.
За счет введения дополнительного блока импульсов напряжения между СП и DC/DC преобразователем напряжения обеспечивается эффективный отбор мощности с блока солнечных панелей, увеличение получаемой от блока солнечных панелей энергии, повышается гибкость и функциональность энергосистемы потребителя, построенной на данном преобразователе. Блок импульсов напряжения (22) регулярно прикладывая импульсы напряжения к СП, как бы «выдергивает» дополнительные электроны из СП, которые при всех обычных классических методах отбора мощности не доходят до проводника и рекомбинируют с дырками в самой СП. В результате энергии с СП получаем больше чем при любых классических методах отбора мощности. By introducing an additional voltage pulse unit between the solar panel and the DC/DC voltage converter, efficient power extraction from the solar panel unit is ensured, the energy received from the solar panel unit is increased, and flexibility and functionality are enhanced. power system of the consumer built on this converter. The voltage pulse unit (22) regularly applies voltage pulses to the SP, as if "pulls" additional electrons from the SP, which with all conventional classical methods of power extraction do not reach the conductor and recombine with holes in the SP itself. As a result, we receive more energy from the SP than with any classical methods of power extraction.
Также возможно наличие в системе аккумуляторной батареи (19) и блока двунаправленного DC/DC преобразователя напряжения для заряда/разряда аккумуляторной батареи (18). It is also possible that the system may include a storage battery (19) and a bidirectional DC/DC voltage converter unit for charging/discharging the storage battery (18).
Также возможно наличие в системе блока суперконденсаторов (БСК) (21) и двунаправленного DC/DC преобразователя напряжения для заряда/разряда блока суперконденсаторов (20). It is also possible that the system may contain a supercapacitor unit (SCU) (21) and a bidirectional DC/DC voltage converter for charging/discharging the supercapacitor unit (20).
При в ведении в систему АБ, БСК - система гарантированного электропитания содержит блок управления АБ, БСК (23). When introduced into the AB, BSC system, the guaranteed power supply system contains an AB, BSC control unit (23).
За счет этого дополнительно обеспечивается увеличение надежности гарантированного электропитания потребителя, которое происходит, в том числе, за счет использования накопителей энергии, которые получают по заданному алгоритму энергию от солнечных панелей и сети, а при пропадании напряжения сети, уменьшении получаемой энергии от солнечных панелей - обеспечивают бесперебойное питание потребителя, за счет подмешивания энергии с накопителя к энергии, получаемой от солнечных панелей на общей шине постоянного тока, с дальнейшим преобразованием в переменное напряжение и питанием нагрузки потребителя. Due to this, an additional increase in the reliability of the guaranteed power supply of the consumer is ensured, which occurs, among other things, due to the use of energy storage devices that receive energy from solar panels and the grid according to a given algorithm, and in the event of a loss of grid voltage, a decrease in the energy received from the solar panels, they ensure uninterruptible power supply to the consumer, due to mixing energy from the storage device with the energy received from the solar panels on the common DC bus, with subsequent conversion to alternating voltage and power supply to the consumer's load.
Устройство электропитания может выступать как источник микрогенерации полученной от ВИЭ энергии в сеть; как источник питания от ВИЭ нагрузки потребителя; как гарантированный источник электропитания потребителя при пропадании энергии от сети. The power supply device can act as a source of microgeneration of energy received from renewable energy sources into the network; as a source of power from renewable energy sources for the consumer's load; as a guaranteed source of power supply for the consumer in the event of a power failure from the network.
Рассмотрим варианты работы устройства при различных конфигурациях. Let's consider the options for device operation in various configurations.
1. Без АБ, БСК. Энергия с солнечных панелей отбирается в точке максимальной мощности с учетом уменьшения паразитной рекомбинации и преобразуется в переменное напряжение сети. Далее микроконтроллер анализирует ток и напряжение на нагрузке и сети. Если энергии получаемой от солнечных панелей достаточно для питания нагрузки преобразователь отключает сеть от нагрузки и питание происходит только от солнечных панелей. Если нагрузка потребляет меньше, чем вырабатывает блок солнечных панелей (БСП), то преобразователь направляет часть энергии полученной от БСП нагрузке, а часть в сеть. Если энергия, потребляемая нагрузкой, превосходит энергию, вырабатываемую БСП, то преобразователь, отдает всю энергию, полученную от БСП в нагрузку, а недостающую энергию для нагрузки потребляет от сети. При отсутствии нагрузки, вся энергия, получаемая от БСП, поступает в сеть. 1. Without AB, BSK. The energy from the solar panels is taken at the point of maximum power, taking into account the reduction of parasitic recombination, and is converted into alternating voltage of the grid. Then the microcontroller analyzes the current and voltage on the load and the grid. If the energy received from the solar panels is sufficient to power the load, the converter disconnects the grid from the load and power is supplied only from the solar panels. If the load consumes less than the solar panel unit (SPU) generates, the converter directs part of the energy received from the SPU to the load and part to the grid. If the energy consumed by the load exceeds the energy generated by the SPU, the converter gives all the energy received from the SPU to the load and consumes the missing energy for the load from the grid. In the absence of a load, all the energy received from the SPU goes to the grid.
2. С АБ и (или) БСК. 2. With AB and (or) BSC.
При наличии в системе АБ и (или) БСК общий алгоритм работы, описанный выше, не меняется, однако появляются дополнительные варианты работы системы. При наличии энергии от БСП и частичном ее расходовании на нагрузку, остальная энергия идет на зарядку АБ и (или) БСК. После их полного заряда энергия идет в сеть. При пропадании напряжения сети микроконтроллер управления и коммутации отключает сеть от системы и нагрузки, и питание нагрузки потребителя идет от БСП. При недостатке энергии получаемой от БСП на шину постоянного тока поступает запасенная энергия от АБ и (или) БСК, которая далее преобразуется в переменное напряжение промышленной частоты для питания нагрузки потребителя. Если энергии получаемой от БСП недостаточно для нагрузки и поддержания заряда АБ и (или) БСК в заряженном состоянии в определенном интервале времени, то по заданному алгоритму (например, в ночное время) инвертор работает в обратном режиме - заряжая шину постоянного тока от промышленной сети, а далее преобразователи напряжения заряжают АБ и БСК до заданного уровня. If the system has a battery and/or a battery-balanced synchronization unit, the general operating algorithm described above does not change, but additional operating options for the system appear. If there is energy from the battery-balanced synchronization unit and it is partially spent on the load, the remaining energy goes to charging the battery and/or battery-balanced synchronization unit. After they are fully charged, the energy goes to the grid. If the grid voltage disappears, the control and switching microcontroller disconnects the grid from the system and the load, and the consumer load is powered from the battery-balanced synchronization unit. If there is insufficient energy received from the battery-balanced synchronization unit, the stored energy from the battery and/or battery-balanced synchronization unit is supplied to the DC bus, which is then converted into alternating voltage of industrial frequency to power the consumer load. If the energy received from the battery-balanced synchronization unit is insufficient for the load and maintaining the battery and/or battery-balanced synchronization unit in a charged state for a certain period of time, then according to the specified algorithm (for example, at night), the inverter operates in the reverse mode - charging the DC bus from the industrial grid, and then the voltage converters charge the battery and battery-balanced synchronization unit to a specified level.
Рассмотрим работу блока солнечных панелей при различных условиях эксплуатации. На фиг.2 представлено семейство вольтамперных характеристик солнечной панели в зависимости от температуры и изменения равномерной освещённости панели. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) имеет классический вид: на начальном этапе идет линейный рост мощности с увеличением напряжения, далее достигается экстремум, после которого идет спад получаемой мощности с ростом напряжения на солнечной панели. Видим, что на ВАХ панели в данном случае присутствует только один экстремум, который при изменении температуры и равномерном изменении излучения дрейфует по ВАХ в ограниченной области. Let's consider the operation of a solar panel unit under various operating conditions. Fig. 2 shows a family of volt-ampere characteristics of the solar panel depending on the temperature and changes in the uniform illumination of the panel. The volt-ampere characteristic (VAC) has a classic appearance: at the initial stage, there is a linear increase in power with an increase in voltage, then an extremum is reached, after which there is a decrease in the received power with an increase in voltage on the solar panel. We see that in the VAC of the panel in this case there is only one extremum, which, with a change in temperature and a uniform change in radiation, drifts along the VAC in a limited area.
При росте температуры напряжение в точке максимальной мощности падает. Экстремум функции мощности на ВАХ смещается вниз и влево. При понижении температуры: напряжение растет в точке экстремума, точка максимальной мощности смещается по ВАХ вверх и вправо. При уменьшении равномерной освещенности панели ток в точке максимальной мощности падает, и экстремум мощности смещается вниз. При увеличении равномерной освещенности панели, растет ток, следовательно, точка максимальной мощности смещается вверх. As the temperature increases, the voltage at the maximum power point decreases. The extremum of the power function on the I-V characteristic shifts down and to the left. As the temperature decreases: the voltage increases at the extremum point, the maximum power point shifts up and to the right on the I-V characteristic. As the uniform illumination of the panel decreases, the current at the maximum power point decreases, and the power extremum shifts down. As the uniform illumination of the panel increases, the current increases, therefore, the maximum power point shifts up.
Известны различные алгоритмы отслеживания точки максимальной мощности. Например, возмущения и наблюдения или метод возрастающей проводимости. Суть метода возмущения и наблюдения показана на фиг.З. Измеряется напряжение и ток на блоке солнечных панелей (БСП). Вычисляется мощность Р0. Далее изменяется выходное напряжение БСП посредством управления преобразователем (положительное приращение по напряжению). Измеряются ток и напряжение. В результате появляется точка мощности Р1. Сравнивается Р1 и Р0, если Р1 больше, то приращение по напряжению остается и далее происходит следующий шаг. Увеличивается напряжение на блоке панелей. Измеряется ток. Вычисляется мощность Р2. Далее также РЗ и Р4. Если новая мощность ниже предыдущей, то знак приращения изменяется. Также существуют адаптивные алгоритмы, у которых шаг приращения не постоянный, а изменяется, в зависимости от приближения к экстремуму. Шаг уменьшается в районе экстремума для уменьшения пульсаций снимаемой мощности с блока солнечных панелей. There are various algorithms for tracking the maximum power point. For example, perturbation and observation or the increasing conductivity method. The essence of the perturbation and observation method is shown in Fig. 3. The voltage and current on the solar panel unit (SPU) are measured. The power P0 is calculated. Then the output voltage of the SPU is changed by controlling the converter (positive voltage increment). The current and voltage are measured. As a result, the power point P1 appears. P1 and P0 are compared, if P1 is greater, then the voltage increment remains and then the next step occurs. The voltage on the panel unit increases. The current is measured. The power P2 is calculated. Then also P3 and P4. If the new power is lower than the previous one, then the sign of the increment changes. There are also adaptive algorithms in which the increment step is not constant, but changes, depending on approaching the extremum. The step decreases in the extremum region to reduce pulsations of the power removed from the solar panel unit.
В результате имеем, при плавном изменении температуры и равномерном изменении освещенности панели классический алгоритм поиска точки максимальной мощности отслеживает как экстремум дрейфует по ВАХ солнечной панели в заданной области. As a result, with a smooth change in temperature and a uniform change in panel illumination, the classical algorithm for finding the maximum power point tracks how the extremum drifts along the I-V characteristic of the solar panel in a given area.
Фактически, все существующие методы отбора мощности с СП эквивалентны подключению реостата к солнечной панели и, автоматически регулируя «его сопротивление», обеспечивают отбор постоянного тока с СП в той точке ВАХ, где мощность максимальна. In fact, all existing methods of power extraction from the solar panel are equivalent to connecting a rheostat to the solar panel and, by automatically regulating “its resistance”, provide the extraction of direct current from the solar panel at the point of the volt-ampere characteristic where the power is maximum.
КПД современных промышленно выпускаемых СП, с которых отбор энергии идет классическим («реостатным») методом находится в диапазоне 18-23%. Т.е. от 1 кВт солнечной энергии фотонов на эквивалентном реостате нагрузки будет 180-230 Вт электроэнергии. The efficiency of modern industrially produced solar panels, from which energy is collected using the classical (“rheostat”) method, is in the range of 18-23%. That is, from 1 kW of solar photon energy on an equivalent rheostat load there will be 180-230 W of electricity.
Остальная энергия, получаемая от солнечного излучения, уходит на потери в СП. К основным процессам, приводящим к низкому КПД СП, относят: отражение части излучения от поверхности полупроводника, неактивное поглощение квантов света, паразитная рекомбинация неравновесных носителей и т.д. The remaining energy received from solar radiation is lost in the semiconductor. The main processes leading to low efficiency of the semiconductor include: reflection of part of the radiation from the surface of the semiconductor, inactive absorption of light quanta, parasitic recombination of nonequilibrium carriers, etc.
Рассмотрим в упрощенном виде работу СП, см. фиг.4. На фиг.4: свет падает на СП и проходит до п, р областей и области обеднения. В области обеднения происходит переход энергии фотонов к паре электрон- дырка. Они разделяются. За счет наличия внутреннего поля электроны двигаются вверх через п область к проводнику, и далее в нагрузку. После нагрузки электроны через проводник возвращаются к СП со стороны р области и рекомбинируют с дырками. Let us consider the operation of the SC in a simplified form, see Fig. 4. In Fig. 4: light falls on the SC and passes to the n, p regions and the depletion region. In the depletion region, the energy of the photons is transferred to the electron-hole pair. They are separated. Due to the presence of the internal field, the electrons move upward through the n region to the conductor, and then to the load. After the load, the electrons return to the SC through the conductor from the p region and recombine with the holes.
Описанным образом происходит преобразование энергии фотонов в электрическую энергию. In the described manner, the energy of photons is converted into electrical energy.
Однако, после разделении электронов и дырок под действием солнечного света часть электронов не достигает проводника, а следовательно, и нагрузки. В процессе движения электронов и дырок в обедненной области, а также частично в п и р областях происходит паразитная рекомбинация электронов и дырок. В результате, большая часть энергии, полученной СП от солнца, не доходит до нагрузки из-за процесса паразитной рекомбинации. However, after the separation of electrons and holes under the influence of sunlight, some of the electrons do not reach the conductor, and therefore, and loads. During the movement of electrons and holes in the depleted region, as well as partially in the n and p regions, parasitic recombination of electrons and holes occurs. As a result, most of the energy received by the SC from the sun does not reach the load due to the parasitic recombination process.
Для уменьшения потерь энергии на паразитную рекомбинацию введем между СП и нагрузкой блок импульсного напряжения. Цель которого, короткими импульсами определенной амплитуды, частоты, пачечности, длительности, с определенными фронтами роста и спада прилагать положительный потенциал к п области и отрицательный потенциал к р области СП. Это делается с целью придания электронам и дыркам, получившим энергию от фотонов дополнительного импульса при движении из обедненной области к проводнику. В результате действия данных импульсов напряжения вероятность паразитной рекомбинации уменьшается, количество электронов, достигающих проводника и нагрузки, растет, следовательно, растет количество полученной энергии от солнечной панели и КПД системы СП-преобразователь. To reduce energy losses due to parasitic recombination, we will introduce a pulse voltage unit between the SC and the load. The purpose of which is to apply positive potential to the n region and negative potential to the p region of the SC by short pulses of a certain amplitude, frequency, burstiness, duration, with certain growth and decline fronts. This is done in order to give the electrons and holes that have received energy from photons an additional impulse when moving from the depleted region to the conductor. As a result of the action of these voltage pulses, the probability of parasitic recombination decreases, the number of electrons reaching the conductor and the load increases, and, consequently, the amount of energy received from the solar panel and the efficiency of the SC-converter system increase.
Нужно отметить, что импульсы напряжения имеют длительность на уровне единиц микросекунд и менее, поэтому расход энергии на их создание на порядок меньше, чем энергия электронов, которые не теряют ее при паразитной рекомбинации и поступают на нагрузку. Также для положительной полярности импульса напряжения, поданного на п область СП, р-n переход СП эквивалентен закрытому диоду. It should be noted that the voltage pulses have a duration of a few microseconds or less, so the energy consumption for their creation is an order of magnitude less than the energy of electrons, which do not lose it during parasitic recombination and are supplied to the load. Also, for the positive polarity of the voltage pulse applied to the n region of the SP, the p-n junction of the SP is equivalent to a closed diode.
При воздействии данного «управляющего» напряжения большое количество электронов, получивших энергию от квантов света, которые ранее рекомбинировали с дырками и не доходили до нагрузки, успевают выйти из п слоя СП, тем самым увеличиваю полезную энергию и КПД СП в 1,2-1 ,5 раз, относительно классических («реостатных») методов отбора мощности с СП. В какой-то мере данный принцип образно соответствует работе полевого транзистора, когда мы электрическим полем затвора, практически не тратя тока, управляем открытием канала и прохождением силового тока через р-п переходы полевого транзистора. When exposed to this "control" voltage, a large number of electrons that have received energy from light quanta that previously recombined with holes and did not reach the load, manage to exit the n layer of the SC, thereby increasing the useful energy and efficiency of the SC by 1.2-1.5 times, relative to the classical ("rheostat") methods of power extraction from the SC. To some extent, this principle figuratively corresponds to the operation of a field-effect transistor, when we use the electric field of the gate, practically without wasting current, we control the opening of the channel and the passage of power current through the p-n junctions of the field-effect transistor.
Существует большое количество схемотехнических методов реализации описанного способа увеличения КПД системы СП- преобразователь. На фиг.5There are a large number of circuit methods for implementing the described method of increasing the efficiency of the SP-converter system. In Fig.5
5 представлен один из возможных вариантов. 5 shows one of the possible options.
На фиг.5 представлена солнечная панель СП1, накопительный конденсатор С1, повышающий преобразователь напряжения, состоящий из конденсаторов С2, дросселя L1, диода D1, ключа К1, источник импульсов, состоящий из трансформатора Тр1, конденсатора СЗ, ключа К2, источника питания U1 и общего устройства управления УУ 1. Fig. 5 shows solar panel SP1, storage capacitor C1, step-up voltage converter consisting of capacitors C2, choke L1, diode D1, switch K1, pulse source consisting of transformer Tr1, capacitor C3, switch K2, power source U1 and common control device UU 1.
Устройство управления УУ1 формирует сигналы управления для ключей К1 и К2. При кратковременном переходе ключа К2 в открытое состояние через первичную обмотку 1 трансформатора Тр1 проходит импульс тока. На вторичной обмотке трансформатора Тр1 формируется импульсThe control device UU1 generates control signals for the keys K1 and K2. When the key K2 briefly switches to the open state, a current pulse passes through the primary winding 1 of the transformer Tr1. A pulse is generated on the secondary winding of the transformer Tr1
15 напряжения. Положительной полярностью прикладываемый к п области солнечной панели СП1, а отрицательной полярностью к р области солнечной панели СП1 через конденсатор С1. Одновременно в соответствии с заданным алгоритмом работы периодически открывается ключ К1, в результате чего происходит формирование напряжения на конденсаторе С2. Напряжение на15 voltage. Positive polarity applied to the n region of the solar panel SP1, and negative polarity to the p region of the solar panel SP1 through the capacitor C1. At the same time, in accordance with the specified operating algorithm, the switch K1 is periodically opened, resulting in the formation of voltage on the capacitor C2. The voltage on
20 конденсаторе С2 далее поступает или на нагрузку, или на инвертор напряжения. 20 capacitor C2 then goes either to the load or to the voltage inverter.
Свет, падающий на солнечную панель СП1, разделяет электроны и дырки. Электроны движутся по цепи и заряжают емкость С1. Одновременно с этим через импульсный трансформатор Тр1 к п области солнечной панели прикладываются положительные импульсы напряжения с заданной частотой, длительностью, амплитудой, фронтами роста и спада; в результате чего вероятность паразитной рекомбинации электронов и дырок уменьшается, и дополнительное количество электронов, получивших энергию от фотонов света, достигает проводника и заряжает накопительную емкость С1. Далее зо посредством повышающего преобразователя (LI, KI, DI, С2) напряжение повышается до уровня необходимого для нагрузки или для инвертора напряжения. Light falling on solar panel SP1 separates electrons and holes. Electrons move along the circuit and charge capacitor C1. At the same time, positive voltage pulses with a given frequency, duration, amplitude, growth and decay fronts are applied to the n region of the solar panel through pulse transformer Tr1; as a result, the probability of parasitic recombination of electrons and holes decreases, and an additional number of electrons, having received energy from photons of light, reach the conductor and charge the storage capacitor C1. Then, through the step-up converter (LI, KI, DI, C2), the voltage increases to the level required for the load or for the inverter voltage.
Трансформатор Тр1 может быть выполнен как с ферромагнитным сердечником, так и без оного. Transformer Tr1 can be made either with or without a ferromagnetic core.
На фиг.6 представлена схема возможного последовательного (а) и параллельного (б) соединения солнечных панелей на примере из двух панелей. При соединении СП в блоки параллельно СП включаются диоды, которые служат для обхода тока при частичном затенении СП в блоке панелей. Для того чтобы данные диоды не шунтировали импульсные сигналы, которые прикладываются к солнечным панелям последовательно с каждым из диодов (D2-D4) ставятся дроссели (L2-L4). Данные дроссели по постоянному току практически не оказывают сопротивления, и при частичном затенении постоянный ток проходит через диоды. При этом при воздействии импульсов напряжения от трансформатора Тр1 (фиг. 5) длительностью единицы микросекунд и менее дроссели D2-D4 имеют большое волновое сопротивление и не шунтируют данные импульсы. Fig. 6 shows a diagram of a possible series (a) and parallel (b) connection of solar panels using an example of two panels. When connecting the solar panels in blocks, diodes are connected in parallel to the solar panels, which serve to bypass the current during partial shading of the solar panels in the panel block. In order for these diodes not to shunt the pulse signals that are applied to the solar panels, chokes (L2-L4) are installed in series with each of the diodes (D2-D4). These chokes have virtually no resistance to direct current, and during partial shading, direct current passes through the diodes. At the same time, when exposed to voltage pulses from transformer Tr1 (Fig. 5) with a duration of a few microseconds or less, chokes D2-D4 have a high wave resistance and do not shunt these pulses.
Заявленное решение, позволяет увеличить количество получаемой энергии от массива солнечных панелей при реальных условиях эксплуатации. Это имеет первостепенное значение как для систем автономного электропитания без сети, так и для систем с сетью, т.к. в конечном итоге влияет на количество полученной энергии от солнечных панелей. The claimed solution allows to increase the amount of energy received from the solar panel array under real operating conditions. This is of primary importance both for autonomous power supply systems without a network and for systems with a network, since it ultimately affects the amount of energy received from solar panels.

Claims

Формула Formula
1. Устройство электропитания на основе солнечных батарей состоящее из соединенных между собой блока солнечных панелей, блока датчиков тока и напряжения блока солнечных панелей, DC/DC преобразователя напряжения, шины постоянного тока, инвертора, блока датчиков тока и напряжения на выходе преобразователя, блока управления DC/DC преобразователем напряжения, блока управления инвертором, микроконтроллера управления и коммутации, блока датчиков тока и напряжения шины постоянного тока, LC- фильтра и фильтра радиопомех, блока датчиков тока и напряжения на нагрузке, отличающееся тем, что в него дополнительно введен блок импульсов напряжения, установленный между солнечной панелью и DC/DC преобразователем напряжения. 1. A power supply device based on solar batteries consisting of a solar panel unit, a solar panel unit current and voltage sensor unit, a DC/DC voltage converter, a DC bus, an inverter, a unit of current and voltage sensors at the converter output, a DC/DC voltage converter control unit, an inverter control unit, a control and switching microcontroller, a unit of DC bus current and voltage sensors, an LC filter and a radio interference filter, a unit of current and voltage sensors on the load, connected to each other, characterized in that a voltage pulse unit installed between the solar panel and the DC/DC voltage converter is additionally introduced into it.
2. Устройство электропитания по п. 1, отличающееся тем, что блок управления DC/DC преобразователем напряжения выполнен с дополнительной функцией управления блоком импульсов напряжения. 2. A power supply device according to item 1, characterized in that the DC/DC voltage converter control unit is designed with an additional function for controlling the voltage pulse unit.
PCT/RU2023/000043 2023-02-16 2023-02-21 Intelligent solar cell-based power supply device WO2024172684A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2023103618 2023-02-16
RU2023103618 2023-02-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024172684A1 true WO2024172684A1 (en) 2024-08-22

Family

ID=92420491

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2023/000043 WO2024172684A1 (en) 2023-02-16 2023-02-21 Intelligent solar cell-based power supply device

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2024172684A1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7158395B2 (en) * 2003-05-02 2007-01-02 Ballard Power Systems Corporation Method and apparatus for tracking maximum power point for inverters, for example, in photovoltaic applications
WO2008102551A1 (en) * 2007-02-22 2008-08-28 Mitsubishi Electric Corporation 3-phase power conversion device
RU2503120C2 (en) * 2007-07-27 2013-12-27 Американ Пауэр Конвершн Корпорейшн Device on solar batteries
US8982592B2 (en) * 2011-07-29 2015-03-17 General Electric Company Maximum power point tracking for power conversion system and method thereof
US20150244313A1 (en) * 2014-02-21 2015-08-27 Solarlytics, Inc. System and Method for Managing the Power Output of a Photovoltaic Cell
RU207387U1 (en) * 2021-07-12 2021-10-26 Ооо "Мир" Intelligent device of guaranteed power supply based on renewable energy sources

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7158395B2 (en) * 2003-05-02 2007-01-02 Ballard Power Systems Corporation Method and apparatus for tracking maximum power point for inverters, for example, in photovoltaic applications
WO2008102551A1 (en) * 2007-02-22 2008-08-28 Mitsubishi Electric Corporation 3-phase power conversion device
RU2503120C2 (en) * 2007-07-27 2013-12-27 Американ Пауэр Конвершн Корпорейшн Device on solar batteries
US8982592B2 (en) * 2011-07-29 2015-03-17 General Electric Company Maximum power point tracking for power conversion system and method thereof
US20150244313A1 (en) * 2014-02-21 2015-08-27 Solarlytics, Inc. System and Method for Managing the Power Output of a Photovoltaic Cell
RU207387U1 (en) * 2021-07-12 2021-10-26 Ооо "Мир" Intelligent device of guaranteed power supply based on renewable energy sources

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20070273351A1 (en) Dynamic switch power converter
WO2007084196A2 (en) Dynamic switch power converter
KR20070050044A (en) Power extractor circuit
Shavolkin et al. Improvement of the multifunctional converter of the photoelectric system with a storage battery for a local object with connection to a grid
RU207387U1 (en) Intelligent device of guaranteed power supply based on renewable energy sources
Tiwari et al. Power flow control in solar PV fed DC Microgrid with storage
Shangeetha Implementation of fuzzy logic controller in photovoltaic power generation using boost converter and boost inverter
Gnanavadivel et al. Analysis of DC-DC converter with high step-up gain for alternative energy Sources
RU219061U1 (en) INTELLIGENT POWER SUPPLY DEVICE BASED ON SOLAR BATTERIES
Devi et al. An Insight to High Gain DC-DC Power Converters for Low Voltage PV System
Andrade et al. Photovoltaic battery charger based on the Zeta converter: Analysis, design and experimental results
WO2024172684A1 (en) Intelligent solar cell-based power supply device
RU2811080C1 (en) Power supply device based on photovoltaic panels
WO2024172683A1 (en) Photovoltaic panel-based device for uninterrupted electric power supply
Zhang Optimization and design of photovoltaic micro-inverter
Raveendhra et al. Design and small signal analysis of solar PV fed FPGA based Closed Loop control Bi-Directional DC-DC converter
Kanakasabapathy Multistring seven-level inverter for standalone photovoltaic systems
Mane et al. OFF Grid PV System with PWM Inverter for Islanded Micro-Grid feeding critical loads
CN101609997A (en) A kind of system for collecting dump energy of large solar photovoltaic power plant
Hu et al. Modeling of a new multiple input converter configuration for PV/battery system with MPPT
Sulaiman et al. Multi-Input Transformer Coupled DC-DC Converter For Rural Electrification Using Renewable Energy Sources
Mahore et al. Modelling and analysis of grid-integrated solar system with power management scheme using battery
Sharma et al. Solar PV Based Grid Scale Battery Energy Storage System with IBC and DAB
Selvabharathi et al. Design of Stand Alone Photovoltaic System Using Three Port DC–DC Converter
Bharathi et al. Power optimization of embedded controller PV powered stand alone system for rural electrification

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23923087

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1